机器人技术参数详解

不同应用场景的机器人，其技术参数也不同。一般来说，机器人的技术参数主要包括自由度、工作范围、工作速度、定位精度与重复定位精度、承载能力等。

1.自由度

自由度（degree of freedom，DOF）是指机器人本体所具有的独立的坐标轴运动的数目，需要注意的是末端操作器的运动不属于机器人本体的自由度。串联机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度数量就是关节数量。自由度越多，机器人就越灵活，但机器人需要控制的关节数越多，控制也就越复杂。所以选择多少个自由度需要根据机器人用途来确定，比如码垛机器人对手部姿态要求简单，一般是4～5个自由度，而喷涂机器人喷枪要跟随喷涂对象表面弧度变化，一般是6个自由度。

大于6个自由度称为冗余自由度。具有冗余自由度的机器人灵活性更大，有利于机器人躲避障碍物和改善机器人的动力性能。例如，人类的手臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节，共有7个自由度，所以十分灵巧。

2.工作空间

机器人本体的工作空间指的是手腕末端法兰盘中心点所能到达的所有点的集合，末端工具的形状、尺寸是多种多样的，所以机器人本体厂商一般仅给出机器人本体的工作空间。图1-6所示为MOTOMAN SV3X机器人的工作空间。

图1-6　MOTOMAN SV3X机器人的工作空间

工作空间的形状和大小与机器人总体结构形状、机器人各个连杆长度、各个关节的角度范围有关。关节式机器人的工作空间近似一个球。因为关节转动副受结构限制，一般不能整圈转动，所以实际上机器人不能获得整个球体，如图1-7所示。

被工作空间包围的不能到达的点，一般称为作业死区，若执行任务时目标点处于作业死区，机器人将不能完成任务。工作空间分为灵活工作空间和非灵活工作空间。在工作空间内的点，机器人末端能够以任意姿态指向该点，则称这些点构成的工作空间为灵活工作空间；在工作空间内的有些点，机器人不能以任意姿态到达，这些点构成的是非灵活工作空间。下面通过一个简单例子说明。

【例1.1】　三自由度平面关节机器人如图1-8所示。设机器人杆件1、2、3的长度分别为l1、l2、h，假定l1＞l2+h，且l2＞h。试分析其工作空间特点。

解　2、3关节的角度分别处于0°、180°，可组成四种情况。若关节1旋转，四种不同半径得到四个不同的圆。圆C1，半径R1=l1+l2+h；圆C2，半径R2=l1+l2-h；圆C3，半径R3=l1-l2+h；圆C4，半径R4=l1-（l2+h）。

图1-7　不同结构尺寸的机器人的工作空间示意图

图1-8　三自由度平面关节机器人示意图

（1）圆C1和圆C4所围成的环形区域为总工作空间。

（2）圆C2和圆C3围成的区域在平面内可认为是灵活工作空间。

（3）末杆h越长，C1越大，C4越小，工作空间越大，但相应的灵活工作空间则由于C2的增大和C3的减小而越小。(www.xing528.com)

（4）工作空间受关节的转角限制，也跟每段杆的长度有关。

3.最大工作速度

最大工作速度指的是在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。这在生产中是影响生产效率的重要指标。机器人手腕中心的运动速度与各个关节转速有关。

机器人编程时根据工作需要设定工作速度。首先考虑生产节拍（即机器人完成工作内容所需时间），确定各动作的运动速度；然后还要考虑工艺动作要求、惯性和行程大小、定位和精度要求等。

机器人使用说明书中一般提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中仅考虑最大稳定速度是不够的。这是因为运动循环包括加速度启动、等速运行和减速制动三个过程。如果最大稳定速度高，允许的极限加速度小，则加、减速的时间就会长一些，即有效速度就要低一些；反之，如果最大稳定速度低，允许的极限加速度大，则加、减速的时间就会短一些，这有利于有效速度的提高。但是，如果加速或减速过快，则有可能引起定位超调或振荡加剧，从而使得到达目标位置后需要等待振荡衰减的时间增加，也可能使有效速度反而降低。而且，过大的加、减速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。所以，在考虑机器人运动特性时，除了要注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加、减速度。

4.定位精度与重复定位精度

定位精度指的是实际位置与目标位置的差异，描述定位的正确性。

重复定位精度描述重复定位于同一目标的能力，是一个统计值的平均值。机器人不可能每次都能准确到达同一点，但应该在以该点为圆心的一个圆形范围内。该圆的半径是由一系列重复动作确定的，这个半径值即重复定位精度。

两者的区别如图1-9所示。

图1-9　定位精度与重复定位精度的好与差

重复定位精度比定位精度更为重要，这个误差是可以预测的，可以通过编程予以校正。机器人的精度一般用定位精度和重复定位精度来度量。工业机器人具有定位精度低、重复定位精度高的特点。例如ABB IRB140：定位精度为±0.2 mm，重复定位精度为±0.05 mm。

5.承载能力

承载能力指机器人在作业空间内的任何位置上以任意姿态能承受的最大质量。承载能力需要保证在承载质量后，机器人具有速度和加速度的前提下精度不降低。在考察机器人的承载能力时，不仅要考虑承载产品的质量，也要考虑包含末端执行器的质量。

MOTOMAN SV3工业机器人的技术参数如表1-1所示。

表1-1　MOTOMAN SV3工业机器人的技术参数

续表